基于cad/cam/cmm集成的螺旋锥齿轮数字化测量及其关键技术
螺旋锥齿轮测量技术的发展现状及趋势螺旋锥齿轮是机械传动基础元件,广泛应用于汽车、航空、 农机、纺机、冶金、矿山等行业,具有重叠系数大、承载能力高、传动平稳及对安装误差敏感度小等优点。
螺旋锥齿轮制造精度和质量直接影响机器设备的效率、噪声、运动精度和使用寿命,并且具有原理复杂、加工调整困难、对操作人员要求高和加工周期长等一系列问题。
螺旋锥齿轮的设计与制造有着密切的关系。
齿轮传动的各项性能不仅与设计参数有关,而且与加工参数(机床调整参 数、刀具参数等)密切相关。
不同的加工参数可以制造出符合同一张工程图纸要求,但传动性能( 啮合性能、强度性能、动态性能等)完全不同的齿轮产品。加之早期的锥齿轮测量技术不够完善, 致使锥齿轮至今还无法互换。
目前,我国锥齿轮生产企业的检测技术手段普遍较落后,主要依靠配对滚动着色检测,观察接触区的大小和位置,凭耳朵听齿轮副的噪声,双面啮合检查仪的径向综合运动误差测量等方法进行检验。
这些检验方法虽能在一定程度上控制齿轮副的啮合质量,但主要依靠检验人员的主观判断,而且检验结果对齿轮副基础曲线的修正、误差来源的分析和啮合质量的提高没有太大的指导意义。故在实际生产中,机床的调整只能保证接触区的位置,而对齿面的接触特 性和齿轮副传动误差的修正有很大的盲目性,修正效果难尽人意
一、准确测量齿轮的各项误差是提高齿轮加工精度</strong>,</strong>保证传动质量的重要前提。</strong>
在过去一个世纪里,齿轮测量技术的发展主要表现在以下几个转变:
(1)在测量原理方面,实现了由“比较测量”到“啮合运动测量”,直至“ 模型化测量”的发展;
(2)在实现测量原理的技术手段上,历经了“以机械为主”到“机电结合 ”,直至当今的“光-机-电”与“信息技术”综合集成的演变;
(3)在测量结果的表述与利用方面,历经了“指示表加目视读取”到“记录仪器记录加人工研判”,直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。
迄今为止,螺旋锥齿轮的数字化测量主要依靠齿轮测量中心, 由于齿轮测量中心的价格昂贵、功能单一,因而导致我国大多数齿轮制造企业对螺旋锥齿轮缺乏有效的检测手段。
如今,三坐标测量机(CMM)的功能越来越强大,用户迅速普及。CMM已成为 制造信息流中的重要成员,它可以一次装夹完成各项误差测量,具有效率高、精度高、测量范围广、可靠性高等优点,同时也为齿轮测量提供 了一个新的途径,所以螺旋锥齿轮的CMM测量也已成为学者研究的热点。它正在不断地冲击着各种专用测量设备,
现在,齿轮测量技术领域出现了新的发展趋势:
(1)齿轮整体误差测量技术与 齿轮坐标测量技术合二为一;
(2)齿轮测量中心与三坐标测量机合二为一。
二、螺旋锥齿轮数字化测量的解决方案</strong>
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近年来,三维数字化设计技术、数控加工技术、CNC坐标测量技术的飞速发展使 得螺旋锥齿轮的三维数字化设计、加工和测量实现一体化集成有了可能,并成为了一个重要的发展趋势。计算机数控的引入极大地改变了现代化产品设计制造和测量概念,零件的功能越来越复杂, 公差要求越来越严格,使尺寸检测成为生产中的瓶颈问题。
为克服上述问题,计算机集成检测已成为现代制造中一个关键部分。CMM已在各种工业中作为自动执行尺寸检测的关键设备被采用,正逐渐成为机械制造业的主导检测设备,并将集成到整个自动化系统中去。CMM与CAD、CAM 一起形成了按坐标值设计、加工、测量和误差评价的一体化系统。
CMM不仅能够通过编制程序实现自动测量,而且还要能够根据CAD模型进行自动测量。
CMM/CAD集成的目标是利用CAD模型,生成零件的检测路径规划,即确定检测工序和确定针对检测工序的检测方法和步骤,进而生成控制CMM 测量的程序。同时,CMM测量的结果经过处理,要与CAD模型进行比较,并对两者之间的误差做出分析,找出产生误差的原因,调整相应的加工参数,加工出符合设计要求的产品。
因此,将C MM与CAD/CAM系统集成为一体,实现CAD/CAM/CMM集成化可大大提高系统的工作效率,保证螺旋锥齿轮加工的精度。
三、螺旋锥齿轮数字化测量的关键技术</strong>
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坐标测量机为螺旋锥齿轮的数字化测量提供了一个新的途径,但由于螺旋锥齿轮齿面的复杂性和精密性,因而在坐标测量机上用手动测量或人工编程测量的方式检测螺旋锥齿轮是非常困难的,效率也很低。
近年来,三维数字化设计技术、CNC坐标测量技术的飞速发展,使得螺旋锥齿轮的CMM测量路径规划的自动生成有了可能。
通过CAD模型与CMM测量的集成,可以自动生成测量路径规划,并可仿真测量过程中测头的运动状况,进行测头与齿轮的干涉检查,实现螺旋锥齿轮的CMM自动测量和评价。
1、基于加工过程的螺旋锥齿轮三维数字化造型螺旋
锥齿轮三维数字化造型的关键在于轮齿曲面的求解,因为没有统一的齿面解析方程,因此需要根据 产形轮与被加工齿坯之间的共轭啮合关系以及机床和刀具加工参数等才能求得实际的齿面形状。
2、CAD模型与CMM测量的虚实基准融合技术螺旋锥齿轮是由数个平面和曲面组成的,所以必基于CAD/CAM/CMM集成的螺旋锥齿轮数字化测量解决方案。
螺旋锥齿轮数字化测量的关键技术须选择合理的测量基准并应用合适的构造基准——虚基准,经过有效的融合,实现螺旋锥齿轮表面形貌的准确重构。
3、测量方案的生成、优化及仿真
(1)检测点的自动确定。
使用CMM进行测量时,由于检测点的不同以及规划和采用处理检测数据算法的不同都将导致检测结果的差异,因此,必须建立一个适当的检测点样本,包括检测点的数量和分布。
检测点数目及分布的确定不但与加工过程的工艺能力 、要求达到的检测精度等因素有关,而且还与被测曲面的实际形状有关。应在满足精度要求的前提下,尽可能地减少测量点的数量。此外,测量点应合理地分布在测量面上,尽可能将测量机的误差 对测量结果的影响减少到最小。
(2)检测路径的优化生成。在基于被测工件CAD模型的CMM 检测中,检测路径的生成的过程是:在检测点确定以后,根据检测点位置、被测表面在测点处的法 向、测头的选择与更换以及检测次序生成检测路径。
为了提高检测效率和测量精度,在进行路径规 划时就需要考虑下列3个方面的因素:
一是在检测过程中测头变换的次数最少;
二是测头运动的轨 迹最短;
三是检测过程中避免发生碰撞(需要设置避障点)。
仅对路径而言,又包括3个方面内容 :检测面内测量点的排序、检测面的测量顺序和检测面之间测量点的连接问题。3个方面又相互关 联、相互影响,这是一个很复杂的最优化问题。
测量路径有三大要素:“测量点”,“探测点法矢 ”和“避障点”。也可以说一个测量规划就是一系列“测量点”、“探测点法矢”、“避障点”和 探头选择及其运动速度的集合。
(3)检测路径的仿真。
检测路径的仿真是CMM检测过程中的一 个重要环节,是为了避免实际检测中可能出现的碰撞,造成CMM在测头、精度以及工件各方面的 损失,而在检测前在计算机上对检测过程的模拟运行。模拟过程中如有碰撞发生,则返回并通过添 加中间定位点的方法或其他方法来修改原来的路径,直到没有碰撞发生。数控加工中心与CMM在 运动上非常相似。
目前对加工过程的NC验证研究比较多而且有较成熟的软件,但专门针对CMM 检测过程路径仿真的软件还很少。
四、齿轮参数及齿面偏差的整体描述及分析</strong>
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(1)螺旋锥齿轮 基本参数的误差分析。
国家标准根据齿轮与齿轮副的误差对传动性能的影响,将锥齿轮和锥齿轮副 的公差项目分成如表1所示的3个公差组。要通过对CMM测量点坐标值的处理与转换,求出相应 的螺旋锥齿轮基本参数并分析其误差。
(2)齿面离散点数字化拟合。
目前,国内还没有对螺旋锥 齿轮的基本齿廓制定出相应的标准。齿面的质量评价要先计算各个测量点的法向偏差,然后拟合出 齿面的差曲面。
(3)齿面误差分离和误差补偿。
齿面误差由3部分组成:形状误差、参数误差和 位姿误差。三者具有不同的特征,采用不同的评定指标,在加工时采用不同的补偿办法。
(4)齿 面啮合特性分析。
螺旋锥齿轮质量控制方法通过对齿面检测数据的定量分析,找出设计、机床和加工误差,并对此进行修正,获得正确的设计和机床调整参数。
实际齿轮的啮合特性很大程度上是通过齿轮副的接触区和运动误差曲线表现出来的,因此通过实际齿面测量点啮合生成齿面,并求取齿 轮副啮合的接触区和运动误差曲线是关键技术。其中还涉及一些曲面的复杂算法,如运动曲面间最 近点的快速求解等。
五、加工参数补偿</strong>
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根据对测量结果的分析评价,调整相应的机床加工参数。
主要加工参数有:刀盘名义直径、刀盘刃锥角机床根锥角、水平轮位、床位后退量、垂直轮 位、偏心角、摇台角、刀转角、刀倾角和滚比挂轮值等。
结论螺旋锥齿轮的数字化测量和评价至今只能在价格昂贵、用户极少的齿轮测量中心进行。
本文提出了一个成本低、易于普及的螺旋锥齿轮
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yiqian1023
发表于 2007-9-11 20:51:14
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